波長(zhǎng)可調(diào)的低噪聲全固態(tài)黃綠光激光器（特邀）

楊順宇，周井鋒，李奔，白楊

（1 西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，西安 710127）

（2 省部共建西部能源光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710127）

（3 陜西省全固態(tài)激光及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，西安 710127）

0 引言

激光二極管（Laser Diode，LD）泵浦Nd：YAG 晶體并結(jié)合非線性光學(xué)頻率變化獲得的556～561 nm 全固態(tài)黃綠激光在工業(yè)、大氣遙感、通信、信息存儲(chǔ)、食品和藥品檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，故而成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［1-3］。特別是在生物醫(yī)療領(lǐng)域，低噪聲的556～561 nm 全固態(tài)黃綠激光不但可以通過(guò)激發(fā)熒光素藻紅蛋白（Phycoerythrin，PE）來(lái)提高PE 家族以及其它熒光蛋白的檢測(cè)靈敏度和分辨率，而且還是共焦腔顯微鏡流式細(xì)胞儀及其它生物成像的理想光源［4，5］。

噪聲是衡量激光器輸出穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)［6-8］，由Nd：YAG 晶體受激輻射產(chǎn)生的1 112.62 nm、1 116.70 nm和1 123.24 nm 三條譜線之間，每一條譜線內(nèi)不同縱模之間的模式競(jìng)爭(zhēng)以及倍頻光的三波耦合作用是造成倍頻黃綠激光的功率穩(wěn)定性受到噪聲無(wú)規(guī)律干擾的主要原因之一［5，9-11］。目前國(guó)內(nèi)外主要采用選單縱?；?yàn)V波的方法減少各譜線之間以及同一譜線內(nèi)多個(gè)縱模之間的競(jìng)爭(zhēng)，從而降低全固態(tài)黃綠光激光器的噪聲。然而，選單縱模的傳統(tǒng)方法主要是利用F-P 標(biāo)準(zhǔn)具或復(fù)合諧振腔消除縱模間的模式競(jìng)爭(zhēng)［2，10-12］，往往以犧牲激光器輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)。采用布儒斯特角放置的雙折射晶體（Birefringent Crystal，BC）在直線型諧振腔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行選頻和濾波，則需要同步精確調(diào)節(jié)布儒斯特角以及其表面與基頻光光軸之間的夾角［5，11］，對(duì)方便緊湊型激光器調(diào)節(jié)，獲得高功率、低噪聲的黃綠激光輸出而言難度極大。

本文采用808 nm LD 端面泵浦Nd：YAG 晶體的L 型折疊諧振腔結(jié)構(gòu)，在諧振腔中插入由布儒斯特偏振器（Brewster Polarizer，BP）和BC 共同組成的雙折射濾波器（Birefringent Filter，BF）。在合理設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)BP 的布儒斯特角的大小、BC 的通光面與基頻光光軸之間的夾角，分別對(duì)1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三條譜線進(jìn)行選頻和濾波。通過(guò)Ⅰ類(lèi)角度相位匹配LBO 晶體腔內(nèi)倍頻，分別在556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三個(gè)波長(zhǎng)上獲得了波長(zhǎng)可調(diào)、連續(xù)輸出功率均超過(guò)600 mW、高穩(wěn)定性、低噪聲的黃綠激光輸出。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

全固態(tài)黃綠光激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物如圖1。單獨(dú)的一塊半導(dǎo)體制冷片（Thermoelectric Coole，TEC）對(duì)LD 模塊實(shí)施25oC 獨(dú)立溫度控制。最大泵浦功率8 W 時(shí)，LD 中心波長(zhǎng)為808.7 nm（線寬為1.74 nm），與激光晶體Nd：YAG 的808.7 nm 吸收峰相匹配。Nd：YAG 激光晶體的尺寸為2 mm×2 mm×6 mm，Nd3+摻雜濃度為0.6 at%。如表1 所示［13］，1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三條譜線的相對(duì)性能接近，但是受激發(fā)射截面均小于1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三條主要譜線的受激輻射截面。因此，首先通過(guò)在Nd：YAG 晶體入射、出射端面的鍍膜來(lái)抑制1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三條主要譜線的振蕩。Nd：YAG 激光晶體泵浦端面上鍍制的增透膜對(duì)808 nm、1 064 nm 和1 319 nm 波長(zhǎng)高透射（T＞95%@808 nm，T＞90%@1 064 nm+1 319 nm，T＞50%@946 nm）、對(duì)1 110 ～1 125 nm 波段高反射（R＞99.7%@1 110 ～1 125 nm），出光端面上的增透膜對(duì)808 nm、946 nm、1 064～1 319 nm 波段高透射（T＞90%@808 nm+1 064 nm+1 319 nm+946 nm，T＞99.2%@1 110～1 125 nm）。兩個(gè)對(duì)稱放置的G2 非球面平凸透鏡將最高功率8 W 的LD 泵浦光擴(kuò)束準(zhǔn)直聚焦，并在Nd：YAG 晶體的泵浦端面后側(cè)形成焦距3.4 mm、焦斑半徑為250 μm 的聚焦光束。Nd：YAG 激光晶體的泵浦端面、M1鏡和M2鏡之間共同構(gòu)成諧振腔。M1鏡為黃綠激光的輸出鏡，其凹面鍍制有對(duì)1 110～1 125 nm 波段高反射（R＞99.7%）和對(duì)554～563 nm 波段高透射（T＞95%）的增透膜，其平面鍍制554～563 nm 波段的增透膜（T＞99.5%）。M2鏡為全反射鏡，其凹面鍍制的高反膜在1 110～1 125 nm 波段內(nèi)的反射率R＞99.7%，對(duì)554 ～563 nm 波段的反射率T＞99.2%。倍頻晶體為Ⅰ類(lèi)角度相位匹配的LBO 晶體，相位匹配角切割為（θ=90o，φ=8.1o）@ 1 116.70 nm，兩個(gè)通光面鍍制的增透膜在1 110～1 125 nm 波段內(nèi)的透射率T＞99.5%，在554～563 nm 波段內(nèi)的透射率T＞92%。微調(diào)LBO 晶體的入射角，當(dāng)入射角分別滿足1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三條譜線的Ⅰ類(lèi)角度相位匹配角時(shí)，則可以分別產(chǎn)生556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三個(gè)波長(zhǎng)的倍頻黃綠激光。Nd：YAG 晶體和LBO 晶體分別用銦箔包裹后固定在銅制冷卻塊中，由另一塊TEC 實(shí)施20oC 的精確溫度控制。BP 材質(zhì)為融石英玻璃，尺寸為6 mm（長(zhǎng)）×6 mm（寬）×0.6 mm（厚）。BC 材質(zhì)為石英晶體，尺寸為6 mm（長(zhǎng)）×6 mm（寬）×2.6 mm（厚），BC 的光軸與其入射端面的斜上45o對(duì)角線平行。BP 和BC 的通光面均未鍍膜。除LD 模塊和Nd：YAG 晶體外，諧振腔中每一個(gè)光學(xué)元件均與一臺(tái)三維弧擺臺(tái)的L 型擺桿連接，由該三維弧擺臺(tái)實(shí)施精確的三維距離調(diào)節(jié)和三維旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)。

表1 Nd：YAG 晶體主要受激輻射熒光的性能Table 1 Properties of the main stimulated emission fluorescence of the crystal Nd：YAG

眾所周知，Nd：YAG 晶體內(nèi)部因熱積累而形成的熱透鏡焦距會(huì)隨著LD 泵浦功率的增加而減小。這一趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致諧振腔穩(wěn)定性下降，甚至造成諧振腔失諧而無(wú)法形成基頻光振蕩［14，15］。此外，腔內(nèi)面為凹面的M1鏡被離軸放置，這會(huì)造成腔內(nèi)振蕩的基頻光產(chǎn)生像散，導(dǎo)致基頻光的弧矢光斑和子午光斑之間模式體積不匹配，嚴(yán)重影響倍頻光的轉(zhuǎn)換效率和輸出質(zhì)量［16］。因此，為提高諧振腔對(duì)熱焦距的動(dòng)態(tài)熱不靈敏性、倍頻光的轉(zhuǎn)換效率和輸出質(zhì)量，合理設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)就顯得格外重要。當(dāng)LD 泵浦功率從1.0 W升至8.0 W 時(shí)，實(shí)驗(yàn)利用熱透鏡焦距動(dòng)態(tài)測(cè)試法［16］測(cè)得Nd：YAG 晶體的熱透鏡焦距從900 mm 減小至480 mm 左右。根據(jù)激光諧振腔的ABCD 矩陣?yán)碚摵鸵呀?jīng)確定的光學(xué)元件尺寸，利用激光諧振腔設(shè)計(jì)軟件（Laser Cavity Analysis and Design，LASCAD）對(duì)黃綠激光諧振腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終，總腔長(zhǎng)為84.0 mm，M1鏡、M2鏡的凹面曲率半徑分別為150 mm 和250 mm，折疊半角為10.5°。Nd：YAG晶體出光面、BP、BC、M1、LBO 和M2相鄰光學(xué)元件的間距分別設(shè)定為3.1 mm、13.5 mm、28.5 mm、12.1 mm 和8.3 mm。

在優(yōu)化后的諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)下，1 116.70 nm 譜線的穩(wěn)定振蕩條件（Ai+Di）/2 的數(shù)值隨LD 泵浦功率的變化規(guī)律如圖2（s：弧矢光束；t：子午光束）。當(dāng)LD 泵浦功率從0.5 W 升至8.0 W 時(shí)，1 116.70 nm 基頻光中弧矢光束部分和子午光束部分的穩(wěn)定振蕩條件（Ai+Di）/2 值始終處于同一象限內(nèi)，不但其絕對(duì)值逐漸靠近0.5，而且相同LD 泵浦功率對(duì)應(yīng)的（As+Ds）/2 與（At+Dt）/2 之間的數(shù)值差異很小。說(shuō)明在Nd：YAG 晶體熱效應(yīng)影響下，1 116.70 nm 基頻光終處于穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，諧振腔具有熱不敏感特性［17，18］。由于1 112.62 nm、1 123.24 nm 與1 116.70 nm 的波長(zhǎng)差均小于7 nm，故諧振腔參數(shù)同時(shí)滿足三條譜線的（Ai+Di）/2 絕對(duì)值小于1 的穩(wěn)定振蕩條件。

在8.0 W 的LD 最大泵浦功率條件下，由LASCAD 軟件得到基頻光的弧矢光束部分和子午光束部分的光斑半徑在諧振腔內(nèi)的模擬分布特性，如圖3。在Nd：YAG 晶體內(nèi)，弧矢光束部分和子午光束部分的光斑半徑均接近于250 μm 的LD 泵浦光焦斑半徑，說(shuō)明基頻光與LD 泵浦光之間所具有的良好模體積重合度有利于提高LD 的泵浦效率；在輸出鏡M1和倍頻晶體LBO 附近，弧矢光束部分與子午光束部分的半徑近似相等ωs≈ωt，說(shuō)明L 型折疊諧振腔的像散問(wèn)題得到了較好的補(bǔ)償［19］。在LBO 晶體內(nèi)部，130 μm 左右的光斑半徑有助于提高基頻光的功率密度和倍頻效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)Fresnel 定律，Nd：YAG 晶體受激輻射產(chǎn)生的非偏振光通過(guò)BP 后，其電矢量將分解為平行于入射參考面的p 偏振光分量和垂直于入射參考面的s 偏振光分量，p 偏振光和s 偏振光在BP 的入射端面上的反射率分別表示為［5］

式中，Rp、Rs分別為p 偏振光和s 偏振光的反射率，A，B分別為非偏振光的入射角和折射角。

當(dāng)空氣的折射率n0近似為1，光學(xué)石英玻璃制成的BP 在1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 波長(zhǎng)處的折射率為ni時(shí)，由折射定律可以得到布儒斯特角Фi與A、B之間的變化關(guān)系

例如，調(diào)節(jié)BP 的俯仰角，當(dāng)非偏光的A角等于其55.12°的布儒斯特角時(shí)，由式（1）～（4）可知，1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三條譜線中只有1 116.70 nm 的p 偏振光的Rp為零。同時(shí)，精確調(diào)節(jié)M1、M2腔鏡的水平方向角和俯仰角。當(dāng)1 116.70 nm 的p 偏振光傳播方向與諧振腔光軸平行時(shí)，1 116.70 nm 在諧振腔內(nèi)以最低損耗形成激光振蕩。而1 112.62 nm 和1 123.24 nm 的Rp雖然只有10-5左右，但是由于色散原因，在單次通過(guò)BP 后，1 112.62 nm 和1 123.24 nm 譜線在諧振腔內(nèi)的傳播方向與諧振腔光軸之間產(chǎn)生約0.3°的夾角。在諧振腔內(nèi)經(jīng)多次往返后，兩條譜線會(huì)因累積的衍射損耗而被抑制。在此基礎(chǔ)上，插入BC，使1 116.70 nm譜線垂直入射BC。BC 本身存在的雙折射效應(yīng)會(huì)將p 偏振的1 116.70 nm 譜線在BC 中分解為o 光和e 光。單次往返通過(guò)BC 時(shí)，o 光和e 光之間產(chǎn)生Δφi的相位延遲［20］

式中，h為BC 的厚度，no、ne分別為基頻光λi的o 光、e 光分量的折射率。

以諧振腔光軸為旋轉(zhuǎn)軸并轉(zhuǎn)動(dòng)BC 時(shí)，1 116.70 nm 譜線的p 偏振方向與BC 光軸之間的夾角νi則隨之變化。當(dāng)νi=π/4 時(shí)，出射BC 后的基頻光νi的p 偏振方向旋轉(zhuǎn)π/2。再次單次反向通過(guò)BC 后，偏振方向再旋轉(zhuǎn)π/2，Δφi為2π 的整數(shù)倍，即

“現(xiàn)實(shí)中缺少什么，人們往往通過(guò)制造藝術(shù)品的方式來(lái)補(bǔ)償，以達(dá)到心理上的平衡。這能夠使人們擺脫不平衡造成的極度痛苦，從而贏得生存?！雹?/p>

1 116.70 nm 譜線中只有m=±1，±2，±3，…所對(duì)應(yīng)的縱模才能在諧振腔內(nèi)單次往返后仍為原方向振動(dòng)的p 偏振線偏振光，可以無(wú)反射損耗地再次通過(guò)BP。剩余縱模則因反射損耗而被抑制。由此通過(guò)BC 壓縮縱模個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)1 116.70 nm 譜線的濾波，可以減小1 116.70 nm 譜線的噪聲。

當(dāng)精確調(diào)節(jié)BP 的俯仰角并使1 112.62 nm、1 116.70 nm 和1 123.24 nm 三條譜線的A角分別等于各自對(duì)應(yīng)的Фi角（55.31°@1 112.62 nm、55.12°@1 116.70 nm、54.92°@1 123.24 nm）時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)腔鏡的水平方向角和俯仰角、BC 的νi角以及LBO 晶體的入射角，可以在選頻、濾波的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效率的Ⅰ類(lèi)角度相位匹配倍頻，分別獲得了556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三個(gè)波長(zhǎng)可選的低噪聲黃綠激光輸出。LBO 晶體對(duì)應(yīng)三條基頻光的相位匹配參數(shù)如表2。

表2 Ⅰ類(lèi)角度相位匹配LBO 晶體的相位匹配參數(shù)Table 2 Phase matching parameters of typed-Ⅰcritical phase-matching LBO crystal

如圖4 所示，雖然通光面沒(méi)有鍍制增透膜的BP、BC 會(huì)增加插入損耗，但在BP 選頻和BC 濾波作用下，腔內(nèi)振蕩的基頻光λi的縱模數(shù)減小，縱模競(jìng)爭(zhēng)趨緩，振蕩縱模的增益增加。故556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm黃綠激光分別獨(dú)立輸出時(shí)，LD 泵浦閾值均僅為0.8 W 左右。LD 泵浦功率為8.0 W 時(shí)，556.31 nm、558.35 nm和561.62 nm 黃綠激光的最大輸出功率分別達(dá)到678 mW、653 mW 和606 mW，對(duì)應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為8.47%、8.16%和7.58%，譜線寬度分別僅為0.34 nm、0.42 nm 和0.37 nm。

輸出功率均為500 mW 時(shí)，利用一個(gè)550～570 nm 分光鏡將黃綠激光分為兩束（90% 透射、10% 反射），使用功率計(jì)探測(cè)透射光的功率不穩(wěn)定度ρ，硅基光電二極管（Silicon Photo Diode，SPD）探測(cè)反射光的噪聲。同時(shí)，將SPD 產(chǎn)生的光電信號(hào)一份為二，一路光電信號(hào)輸入至示波器通道C1，以DC 直流耦合模式探測(cè)激光的絕對(duì)強(qiáng)度，另一路光電信號(hào)輸入至示波器通道C2，以AC 交流耦合模式探測(cè)激光相對(duì)于絕對(duì)強(qiáng)度的峰峰強(qiáng)度波動(dòng)量。測(cè)量時(shí)長(zhǎng)1 h、測(cè)量間隔1 s。黃綠激光輸出連續(xù)功率和噪聲測(cè)試分別如圖5、圖6 和表3 所示。當(dāng)激光器與SPD 之間放置一個(gè)光闌時(shí)，功率為P的激光束被光闌阻擋，圖6 中C1通道的激光絕對(duì)強(qiáng)度為零，C2 通道的光電信號(hào)實(shí)際為SPD 和示波器的總本底噪聲（A 區(qū)域，紅色標(biāo)記的電信號(hào)強(qiáng)度）；當(dāng)光闌被快速撤掉，則C1 通道的光電信號(hào)為激光束的絕對(duì)強(qiáng)度（C 區(qū)域，黃色標(biāo)記的電信號(hào)強(qiáng)度），而C2 通道的光電信號(hào)為激光束噪聲與總本底噪聲之和（B 區(qū)域，紅色標(biāo)記的電信號(hào)強(qiáng)度），即總噪聲。對(duì)C1、C2 通道測(cè)量的電信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)分別求均方根（Root Mean Square，RMS），得到A 區(qū)域的總本底R(shí)MS 噪聲NAC、B 區(qū)域的總RMS 噪聲（NT-AC）和C 區(qū)域的激光絕對(duì)強(qiáng)度的SMR 值IDC，則激光SMR 噪聲NSMR可表示為

由于Ⅰ類(lèi)角度相位匹配的LBO 晶體是按照1 116.70 nm 波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位匹配角切割的，通過(guò)BP 與LBO晶體配合，能夠最大程度地解決縱模之間的交叉飽和效應(yīng)、和頻效應(yīng)等非線性效應(yīng)所導(dǎo)致的“綠光問(wèn)題”對(duì)倍頻黃綠激光輸出穩(wěn)定性的影響［21］。故558.35 nm 黃綠激光的功率不穩(wěn)定度ρ和噪聲NSMR均最?。é?±0.38%，NSMR=0.51%），其次為556.31 nm（ρ=±0.42%，NSMR=0.69%）和561.62 nm（ρ=±0.49%，NSMR=0.91%）。

此外，使用激光光束質(zhì)量分析儀（ModeScan1740）測(cè)得的556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 黃綠激光的光束質(zhì)量M2因子分別為（M2x-556.31=3.943，M2y-556.31=4.301），（M2x-558.35=3.409，M2y-558.35=3.584）和（M2x-561.62=3.732，M2y-561.62=3.971），光束實(shí)際光斑和近場(chǎng)光束輪廓的2D 和3D 圖像如圖7。較小光束質(zhì)量M2因子進(jìn)一步驗(yàn)證了通過(guò)諧振腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)補(bǔ)償像散，有助于提供倍頻黃綠激光的光束質(zhì)量［22］。然而，受到空間傳輸?shù)腖D 泵浦光的光束質(zhì)量較差和未考慮LBO 倍頻晶體熱效應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三個(gè)波長(zhǎng)的倍頻黃綠激光的光束質(zhì)量未能接近于M2=1 的基橫模。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)通過(guò)改善LD 泵浦光的光束質(zhì)量，在諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入LBO 倍頻晶體的熱透鏡焦距，可進(jìn)一步提高倍頻黃綠激光的光束質(zhì)量。

3 結(jié)論

采用808 nm LD 端面泵浦Nd：YAG 晶體、Ⅰ類(lèi)角度相位匹配LBO 晶體腔內(nèi)倍頻和優(yōu)化設(shè)計(jì)的L 型折疊諧振腔結(jié)構(gòu)，以BP 選頻協(xié)同BC 濾波，實(shí)現(xiàn)了556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 三個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)、高穩(wěn)定性、低噪聲的黃綠激光連續(xù)輸出。在8 W 的最高LD 泵浦功率下，556.31 nm、558.35 nm 和561.62 nm 黃綠激光獨(dú)立輸出的最大連續(xù)功率分別達(dá)到了678 mW、653 mW 和606 mW，光光轉(zhuǎn)換效率分別為8.47%、8.16%和7.58%，譜線寬度分別為0.34 nm、0.42 nm 和0.37 nm；在輸出功率均為500 mW 時(shí)，功率不穩(wěn)定度僅分別為±0.42%、±0.38%和±0.49%，對(duì)應(yīng)激光SMR 噪聲僅分別為0.69%、0.51%和0.96%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“BP+BC”協(xié)同配合的選頻濾波方式是一種實(shí)現(xiàn)中高功率、高穩(wěn)定性、低噪聲、波長(zhǎng)可調(diào)黃綠激光的有效方法，可很好地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、激光測(cè)量、污染監(jiān)測(cè)和光譜分析等領(lǐng)域。